林晰明

（國家新聞出版廣電總局523臺，吉林　長春　130000）

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合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真技術(shù)在廣播發(fā)射機中的應(yīng)用

林晰明

（國家新聞出版廣電總局523臺，吉林長春130000）

摘要：廣播發(fā)射機的輸出功率大都采用功率合成技術(shù)，提高了廣播系統(tǒng)設(shè)備的可靠性，保證高質(zhì)量的安全播出，利用系統(tǒng)仿真工具對廣播發(fā)射機的合成網(wǎng)絡(luò)建模與仿真，可以高效地實現(xiàn)廣播發(fā)射系統(tǒng)的性能評估和方案論證。

關(guān)鍵詞：合成網(wǎng)絡(luò)；建模與仿真；廣播發(fā)射機

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，廣播越來越成為人們生活中不可或缺的媒體，電信媒體的繁雜、信號發(fā)射的相互干擾，社會發(fā)展對電磁環(huán)境要求越來越高，所以，盡量減少不必要的廣播電視信號電波的排出，減少其中的電磁污染是時代和社會對我們的要求，而另一方面，社會的發(fā)展又不斷的要求我們?nèi)ゲ粩嗉夹g(shù)更新、技術(shù)進(jìn)步，發(fā)射機性能實驗、指標(biāo)的調(diào)整與提高又要通過不斷的實踐，數(shù)據(jù)積累才能得到科學(xué)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)。在我們的實際工作中發(fā)射機的檢修維護(hù)和故障排除等各個環(huán)節(jié)都要求整機的開啟，也不可避免的將無用的電信號排入到天空中。故此為了能解決這一矛盾，建立一個合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真系統(tǒng)，應(yīng)用在科學(xué)實驗、發(fā)射機機修維護(hù)、故障排除及元器件測量中，則能很好地解決無用電波的排出及無用電磁造成的環(huán)境污染問題。

1　合成網(wǎng)絡(luò)建模與仿真的應(yīng)用平臺

合成網(wǎng)絡(luò)建模與仿真要借助于電路軟件平臺進(jìn)行電路仿真。電路仿真就是設(shè)計好的電路圖通過仿真軟件進(jìn)行實時模擬，模擬出實際功能，然后通過其分析改進(jìn)，從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設(shè)計。

1.1應(yīng)用平臺軟件介紹

電路仿真一般分為3個級別：物理級、電路級和系統(tǒng)級。我們著重應(yīng)用的是電路級仿真。目前的電路仿真軟件有很多種，包括Protel，Multisim，Protues等。Protel的高版本Altium Designer是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級設(shè)計解決方案。電路仿真軟件的主要指標(biāo)是仿真項目的數(shù)量以及仿真元器件的數(shù)量和精度。結(jié)合廣播發(fā)射機的實際需求和應(yīng)用元器件的數(shù)量和指標(biāo)，本文選用了PROTEL軟件實現(xiàn)合成網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真。PROTEL仿真軟件提供了許多分析功能，包括直流工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、噪聲分析、失真度分析、參數(shù)掃描分析、傳輸函數(shù)分析、靈敏度分析、溫度掃描分析、靜態(tài)工作分析等，從基本的到極端的分析都涵蓋，同時可以將一個分析作為其他分析的一部分自動執(zhí)行，具有交互式測量和分析功能。

1.2應(yīng)用平臺軟件的建模仿真分析功能

下面主要介紹一下應(yīng)用平臺軟件的幾個重要分析功能。

1.2.1傅立葉分析

由于需要建模仿真的電路中包含故障信息的關(guān)鍵點信號，這種信號通常具有周期性，所以采用傅立葉變換將時域信息變換到頻域中分析。利用時域信號和頻域信號的對稱性，利用連續(xù)信號傅立葉變換的數(shù)值計算方法給出時域和頻域信號的對比波形圖，直觀地再現(xiàn)分析過程。

1.2.2靜態(tài)工作分析

靜態(tài)分析就是直流分析，按照設(shè)計電路編輯仿真原理圖，添加適當(dāng)?shù)木哂蟹抡鎸傩缘脑骷稍O(shè)置開路、短路、漏電阻等參數(shù)，設(shè)置仿真方式，仿真軟件會自動將節(jié)點電壓，支路電流以及元件消耗能量和電源端等效電阻這些數(shù)據(jù)以列表和圖形2種方式展現(xiàn)出來，將電壓、電流、功率標(biāo)識在電路圖中。

1.2.3參數(shù)掃描分析

用戶可以設(shè)置參數(shù)變化的開始值、結(jié)束值、增量值和掃描方式，從而控制參數(shù)的變化。將電路參數(shù)設(shè)置在一定范圍內(nèi)變化，以分析參數(shù)變化對電路性能的影響。也就是相當(dāng)于對電路進(jìn)行多次不同參數(shù)的仿真分析，能夠快速的檢驗電路的性能，參數(shù)掃描可以有3種分析，瞬態(tài)分析、交流頻率分析和直流工作點分析。

1.2.4溫度掃描分析

溫度掃描分析相當(dāng)于在不同溫度下仿真電路性能，研究溫度變化對其影響，溫度掃描分析只影響合成網(wǎng)絡(luò)建模中的模型與溫度有關(guān)的元件。

1.2.5直流掃描分析

直流掃描分析是計算電路在不同的直流電源下的直流工作點，每次變換不同的數(shù)值對電路進(jìn)行不同的仿真，能夠快速的確定電路的直流工作點，直觀地顯示出直流掃描曲線。

2　廣播發(fā)射機的合成網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

廣播發(fā)射機的功率合成基本由多路傳輸線變壓器，以及多路平衡電阻，再通過阻抗變換網(wǎng)絡(luò)，使輸出阻抗達(dá)到天線阻抗的匹配要求，最后將信號送到天線完成廣播節(jié)目播出。傳輸線寬帶合成時候的功率關(guān)系與90度相移傳輸線合成時候的功率關(guān)系相同。負(fù)載上的功率與平衡電阻上的總功耗關(guān)系相同。

3　廣播發(fā)射機中的合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真

目前我國的廣播系統(tǒng)中廣泛使用的主流發(fā)射機類型是DX系列發(fā)射機，下面就以DX系列中的DX-600發(fā)射機為例進(jìn)行仿真分析。

DX-600中波發(fā)射機主要由三部分構(gòu)成：3個200KW功放單元（PB200），發(fā)射機控制單元（TCU）、合成網(wǎng)絡(luò)控制單元（CCU）。根據(jù)圖1可以看出，3個200KW功放單元（PB200）輸出的射頻功率經(jīng)過合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合成，然后通過阻抗變換，使輸出阻抗達(dá)到天線阻抗的匹配要求。根據(jù)圖1我們能看到3個90°相移網(wǎng)絡(luò)、主合成π網(wǎng)絡(luò)、阻抗電阻以及幾個切換開關(guān)，共同完成了3個功放單元的阻抗變換和功率合成輸出。

圖1　DX-600中波發(fā)射機構(gòu)成

3.1建模仿真中的阻抗分析

阻抗匹配是廣播電視信號傳輸和發(fā)射中的重要環(huán)節(jié)，只有阻抗匹配才能使廣播發(fā)射機的能量得到有效的傳輸，負(fù)載獲得最大的有效功率。合成網(wǎng)絡(luò)建模仿真中的阻抗匹配特性分析是廣播發(fā)射機仿真能否真實地反映實際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。合成網(wǎng)絡(luò)的建模仿真軟件通過輸入源阻抗和負(fù)載阻抗得到所需電路。兩端阻抗是固定的，主要用仿真軟件在兩者之間插入一個設(shè)計好的網(wǎng)絡(luò)來達(dá)到合適的阻抗匹配，仿真實現(xiàn)的方法是不斷地在仿真電路圖中增加串聯(lián)并聯(lián)元件，直到得到我們想要的阻抗。下面我們以主合成π網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行具體介紹，主合成π網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗為5600，而輸出阻抗是50Ω，而設(shè)計好的π網(wǎng)絡(luò)仿真模型具有同樣的阻抗變換特性。圖2是主合成π網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗模型。

圖2　主合成π網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗模型

我們先把掃描分析頻段設(shè)置為700~850KHz，隨機選擇中波頻率為783KHz，然后通過軟件進(jìn)行仿真。

通過軟件仿真能夠取得該電路的輸入的實部、虛部和幅度曲線，通過讀取記錄數(shù)值，可以看出工作頻率為783KHz時輸入抗阻為（-12+32i）Ω。不能滿足抗阻匹配條件。

圖3　主合成π網(wǎng)絡(luò)輸出抗阻模型圖

輸出抗阻分析：之后我們調(diào)整信號源位置并且設(shè)置源阻為565Ω，如圖3所示。

采用上面相同的操作方法取得了結(jié)果抗阻曲線實部、虛部和幅度曲線并且讀取記錄數(shù)值，可以得到該網(wǎng)絡(luò)的輸出抗阻為（-10+19.8i）Ω也不滿足匹配條件。

以上進(jìn)行了輸入抗阻和輸出抗阻分析來實現(xiàn)阻抗匹配，但是都達(dá)不到要求，接下來通過參數(shù)掃描分析和參數(shù)調(diào)整來實現(xiàn)阻抗匹配。

3.2建模仿真中的參數(shù)掃描分析和調(diào)整

在基本電路特性分析中，每個電路元器件的取值是固定的，但是在參數(shù)掃描分析中要考慮電路元器件的取值和屬性對電路特性所帶來的變化，對每次取值都進(jìn)行電路特性分析，找出最優(yōu)解決方案。在進(jìn)行阻抗參數(shù)匹配調(diào)整的時候，比較有效的方法就是以抗阻的實部和虛部作為校準(zhǔn)檢測，以抗阻的幅度曲線做調(diào)整依據(jù)，這樣就避免了實部和虛部參數(shù)間的反復(fù)調(diào)整的問題，也節(jié)省了不必要的電路分析。

3.3參數(shù)的設(shè)置以及合成參數(shù)值的確定

首先我們將元件C1的參數(shù)掃描范圍設(shè)置在50-70nF之內(nèi)，將取樣間隔設(shè)置為5uF，通過曲線對比選擇了C1的參數(shù)值位于55-60uF之間。

仿真頻率設(shè)置在700-850KHz之間，同時將掃描范圍選取在5-70uF，間隔為1uF，對比曲線數(shù)值，我們選取的最佳數(shù)值為57uF。

根據(jù)以上的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，廣播發(fā)射機合成網(wǎng)絡(luò)的仿真可以通過采用的合成仿真技術(shù)來實現(xiàn)。按照發(fā)射機合成網(wǎng)絡(luò)的實際結(jié)構(gòu)和通過采用抗阻匹配、參數(shù)掃描分析和調(diào)整方式來構(gòu)建的仿真模型，其主要由主合成π網(wǎng)絡(luò)、90°相移網(wǎng)絡(luò)和無線系統(tǒng)三部分組成。

4　仿真性能分析

4.1抗阻匹配特性分析

我們在對全網(wǎng)絡(luò)分析時，在信號源處加入了與輸入抗阻相同的源內(nèi)阻，以滿足復(fù)合網(wǎng)絡(luò)匹配的要求。如圖4中的PS1，RS2，RS3，它們都是各自的信號源內(nèi)阻。

圖4　PS1，RS2，RS3

首先是對各個功放單元的輸入阻抗進(jìn)行分析。每個功放單元的輸入阻抗是相同的，以功放單元PB1阻抗為例，根據(jù)掃描的實部曲線、虛部曲線以及幅度曲線進(jìn)行取值，其抗阻值為（-84+0i）Ω減去設(shè)置的功放單元源內(nèi)阻，那么單獨一個功放單元的阻抗為42Ω，同廣播發(fā)射機的實際輸入阻抗一致。

然后是輸出抗阻分析，設(shè)置等效輸出源內(nèi)阻為50Ω，各功放單元輸入阻抗為40Ω作為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載阻抗，如圖5所示。

圖5　輸入阻抗為40Ω作為網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載阻抗

采用相同的阻抗分析方法，可以由曲線分析中得出輸出阻抗為（-100+0i）Ω所合成網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗為50Ω，與發(fā)射機各功放單元實際輸出阻抗一致。

4.2頻響特性分析

頻率響應(yīng)是廣播發(fā)射機的主要電聲指標(biāo)之一，一個多級放大器的頻率響應(yīng)受組成它的各個放大電路的影響，通過仿真電路對其中的一級放大電路進(jìn)行仿真，比較其與整體放大器的關(guān)系，再使用軟件自帶的波特圖分析儀對電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行分析，得出電路的幅頻特性。電路的上下限截止頻率都清晰的在圖中體現(xiàn)出來。

下面我們以783KHz為基準(zhǔn)工作頻率進(jìn)行頻響特性分析，其合成曲線如圖6所示。

圖6　合成曲線

根據(jù)圖6能夠看出其頻率響應(yīng)完全滿足廣播發(fā)射機的實際要求。

5　結(jié)語

廣播發(fā)射機合成網(wǎng)絡(luò)的建模仿真，除了上面介紹的通阻抗變換與匹配、參數(shù)掃描分析和頻率響應(yīng)分析之外，還有其他的溫度掃描分析，和交流直流分析等，通過分析和實際論證，建模仿真的阻抗匹配特性和頻率響應(yīng)特性與廣播發(fā)射機的實際功率合成網(wǎng)絡(luò)工作能達(dá)成一致，同時也能實現(xiàn)仿真廣播發(fā)射機合成網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。廣播發(fā)射機合成網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真有效地解決了電波排放污染環(huán)境與便利維護(hù)、保障安全播出之間的矛盾。

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Synthesis of Network Modeling and Simulation Technology in the Application of the Radio Transmitter

Lin Ximing
(State General Administration of Press and Publication, Radio and Television 523, Changchun130000, China)

Abstract：Broadcast transmitter output power are mostly USES the power synthesis technology， improve the reliability of the broadcasting system equipment, ensure the safety of high quality, using system simulation tools for the synthesis of broadcast transmitter network modeling and simulation, can effectively achieve the radio emission system performance evaluation and project demonstration.

Key words：network synthesis; the modeling and simulation; radio transmitter

作者簡介：林晰明（1989-），女，吉林長春。